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客户文章丨Adv. Sci.丨复旦脑院邰一琳/倪剑光课题组揭示海马吊灯细胞ChCs抗癫痫机制

发布时间:2025-12-11 16:28:27

轴突起始段(AIS)是动作电位(AP)起始位点,是神经元活动调控的关键靶点;吊灯细胞(ChCs)作为GABA能中间神经元的独特亚型,选择性靶向投射神经元(PNs)的AIS,生理状态下可调控神经网络平衡。ChCs在癫痫等病理状态下的功能尚不明确,此前“ChCs假说”认为ChCs连接异常可能参与癫痫发生,但缺乏直接证据。

2025年10月19日,复旦大学脑科学研究院邰一琳、倪剑光团队在Advanced Science在线发表题为“Hippocampal Chandelier Cells Modulate Seizure Susceptibility and Severity”相关文章,该研究聚焦海马吊灯细胞(ChCs)与癫痫发作的关联,发现癫痫发作时ChCs的Ca2+信号增强,阻断ChCs突触传递会升高KA(红藻氨酸)诱导癫痫的易感性和严重程度,而化学遗传学激活ChCs可在急性和慢性期减轻癫痫发作,且癫痫持续状态(SE)后ChCs对轴突起始段的支配增强,证实ChCs具有抗癫痫保护作用。


 

癫痫发作后吊灯细胞被激活

为了探究ChCs对癫痫发作期事件的响应,将脑电图(EEG)与钙成像光纤记录结合,追踪癫痫发作时海马CA1区ChCs活动模式(图1A)。采用Unc5b-CreER转基因鼠与AAV-DIO-Gcamp7s,在ChCs中选择性表达Ca2+指示剂(图1A-B)。腹腔注射KA(25mg/kg)构建颞叶癫痫(TLE)模型,40分钟内出现发作,同步采集EEG(电极植入左额叶皮质与右背侧海马)及CA1区ChCs Ca2+信号(图1C)。电图表型发作(ESs)与惊厥发作(CSs)期间,ChCs均检测到强Ca2+信号,且CSs信号更显著、持续更长(图1D-E)。数据分析显示,EEG均方根(RMS)升高后,ChCs Ca2+信号延迟增强(图1F),与PV+神经元发作前早期增强形成差异。均方根值分析表明,发作前5秒至发作后10秒ChCs Ca2+信号波动最小,约15秒后升高(图1G),且15秒时信号较10秒显著增强(图1G),发作峰值时激增(图1H)。KA注射前后,Ca2+信号振幅均与放电均方根正相关(图1I-J)。交叉相关分析显示,KA注射前相关性最大延迟值接近零,注射后平均偏移至-1215毫秒(图1I-J),提示健康状态与癫痫发作中ChC活动与脑电功率的关联存在差异。

图1 癫痫发作过程中吊灯细胞ChCs激活

 

通过破伤风毒素降低吊灯细胞突触传递会升高癫痫易感性

为了明确ChCs对神经网络活动的保护作用,探究了降低其突触传递的效应。向Unc5b-CreER小鼠CA1区双侧注射编码Cre依赖型破伤风毒素(DIO-Tettox-P2A-mCherry)的AAV(图2A),两周内有效切割突触前囊泡释放关键组分VAMP2。随后连续5天记录EEG,探究该干预的即时效应(图2B)。实验组记录到频率>2Hz的棘波放电(SWDs)(每个周期含高电压棘波与慢波),对照组无此现象(图2C)。自发性复发性癫痫(SRSs)为慢性癫痫典型标志,部分SWDs后可继发SRSs,与实验观察一致(图2D)。Tettox组所有小鼠均出现自发性电图表型发作(sESs),平均每日发作9.434次(图2E、F)。同步EEG记录与视频拍摄显示,部分sESs伴随自发性运动发作(sMSs)。Tettox组所有小鼠均出现Racine3级及以上sMSs,平均每日发作4.56次(图2G-H);6只中有5只出现自发性惊厥发作(sCSs),平均每日发作0.766次(图2I-J)。

图2 破伤风毒素阻断ChCs突触传会诱发自发性癫痫发作

 

探究了突触传递降低的ChCs小鼠在海马内KA诱导下的癫痫易感性——该模型为常用颞叶癫痫(TLE)小鼠模型,触发发作可靠性高。通过套管向CA1区注射KA(100ng,0.2μL)诱导癫痫持续状态(SE)(图3A),两组均成功诱发出癫痫。与对照组相比,Tettox组小鼠首次电图表型发作(ESs)潜伏期更短(图3B-C),2小时记录期内ESs发作频率更高(图3D)。Tettox组首次惊厥发作(CSs)潜伏期更短、发作次数更多(图3E-F)。局部场电位(LFP)记录显示,ChCs突触传递降低影响局灶性发作(FSs)(图3G):Tettox组首次FSs潜伏期缩短(图3H),发作频率未变但持续时间延长(图3I-J)。此外,Tettox组发作间期棘波数量更多、持续时间更短(图3K-M)。综上所述,降低ChCs突触传递会增加癫痫易感性和严重程度。

图3 阻断ChCs的突触传递会增加KA诱导的癫痫易感性

 

ChCs活性改变影响癫痫易感性和严重程度

已知激活ChCs可显著降低CA1区投射神经元(PNs)放电频率。通过化学遗传学手段,探究ChCs兴奋性改变对癫痫的影响。海马脑片全细胞膜片钳证实,CNO处理后hM4Di组ChCs兴奋性降低,hM3Dq组升高。向感染DIO-GFP、DIO-hM4Di或DIO-hM3Dq的Unc5b-CreER小鼠,于KA注射前45分钟经海马内套管给予CNO(图4A)。三组小鼠均出现电图表型发作(ESs)(图4B),但惊厥发作(CSs)表现差异显著:仅20% hM3Dq组(ChCs活性增强)出现CSs,对照组为80%,而hM4Di组(ChCs活性降低)全部出现CSs(图4C)。与阻断ChCs突触传递结果一致,hM4Di组首次ES、CS潜伏期缩短,发作频率升高,提示抑制ChCs加剧癫痫易感性和严重程度(图4D-G)。相反,hM3Dq组与对照组首次ES潜伏期无显著差异(图4D),但CSs发生率更低,ES频率显著低于对照组(图4C、E)。综上,降低ChCs活性增加癫痫易感性,增强ChCs活性则减少癫痫发作,支持ChCs对过度兴奋性活动具有保护作用的假设。增强ChCs活性或维持其突触传递,有望成为减轻癫痫发作的潜在策略。

图4 化学遗传学调控ChCs对KA诱导后急性癫痫发作的影响

 

增强ChCs活性可减轻慢性期自发性癫痫发作

鉴于增强ChCs活性在KA诱导癫痫持续状态(SE)急性期降低了癫痫易感性和严重程度,进一步探究其在慢性期的保护作用。通过套管向海马内注射KA(100ng,0.2μL)诱导SE,选取成功诱发SE的小鼠进行后续分析。首次SE诱导后6周,进行连续9天EEG记录。筛选出初始3天(给药前,pre)出现慢性自发性癫痫(EEG振幅和频率升高)的小鼠(图5A),随后3天(给药期,CNO)每日给予两次CNO,最后3天(给药后,post)持续记录。GFP对照组中,给药前、中、后三个阶段的自发性电图表型发作(sESs)和自发性惊厥发作(sCSs)发生率均稳定;而DIO-hM3Dq实验组在给药期的sESs和sCSs发生率显著降低(图5B-D),且停用CNO后3天仍维持保护效应(图5C-D)。此外,给药期癫痫发作持续时间和总时长缩短,发作期间θ波和γ波相对功率发生改变(图5E-G)。综上所述,增强ChCs活性对慢性自发性癫痫发作具有保护作用。

图5 化学遗传学激活ChCs可降低慢性期自发性癫痫发作的发生率

 

癫痫持续状态后ChCs突触囊对轴突起始段的支配增强

已有研究报道颞叶癫痫患者海马投射神经元的轴-轴型支配存在ChCs突触囊减少、增多或重排等病理改变,其差异可能源于疾病复杂性或SE引发的继发性损伤。为探究SE对ChCs的影响,采用交叉标记法(Unc5b-CreER:Nkx2.1-Flp:Ai65)——通过Nkx2.1-Flp(中间神经元中限制性表达Flp重组酶)剔除血管中Unc5b介导的tdTomato信号,实现ChCs精准高效标记(图6A-B),且可通过调整他莫昔芬(TMX)剂量实现高密度或稀疏标记。为了维持海马结构完整,通过腹腔注射KA(25mg/kg)诱导SE,6周后处死小鼠。在出生后28天和30天,腹腔注射高剂量TMX(100mg/kg)高密度标记ChCs,结果显示对照组和SE组CA1区和DG区ChCs的细胞密度无显著差异,表明ChCs对SE诱导损伤具有相对耐受性(图6B-D)。通过低剂量TMX(15mg/kg)稀疏标记ChCs(图6E),聚焦CA1区分析发现SE后ChCs突触囊长度显著增加,向AIS远端延伸且近端突触扣结起始位置不变(图6F-H),同时每个突触囊的平均突触扣结数量增多(图6I)。综上所述,SE后ChCs增强了对AIS的支配,提示其对癫痫损伤的韧性,与ChCs在癫痫慢性期的发作保护作用相符。

图6 癫痫持续状态后ChCs突触囊对轴突起始段的支配增强

 

 总   结  

海马ChCs在癫痫发作中具有主动抗癫痫作用,可通过调控神经网络兴奋性保护机体免受过度癫痫发作。阻断ChCs功能会升高癫痫易感性和严重程度,而增强ChCs活性可缓解急性和慢性癫痫发作。ChCs对SE诱导的损伤具有抗性,且通过结构可塑性增强对AIS的支配,进一步发挥保护作用。

 

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本期文章中涉及的名词缩写解析详见下图:

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